什麼是氣動系統的氣缸公式？

工程師經常在氣缸計算方面煞費苦心，導致系統尺寸不足和設備故障。瞭解正確的公式可避免代價高昂的錯誤，並確保最佳效能。

氣缸的基本公式為 F = P × A，其中力等於壓力乘以面積。這個基本公式決定了任何氣動應用的氣缸輸出力量。

兩個星期前，我幫助來自英國一家包裝公司的設計工程師 Robert 解決了一再發生的氣缸效能問題。他的團隊使用錯誤的公式，導致 40% 的力損失。當我們運用正確的計算方法後，他們的系統可靠度大幅改善。

目錄

• 什麼是基本圓柱力公式？
• 如何計算滾筒轉速？
• 什麼是圓柱面積公式？
• 如何計算空氣消耗量？
• 什麼是進階圓柱配方？

什麼是基本圓柱力公式？

氣缸力公式是所有氣動系統計算和元件尺寸決定的基礎。

汽缸力公式為 F = P × A，其中 F 是以磅為單位的力，P 是以 PSI 為單位的壓力，A 是以平方英寸為單位的活塞面積。

瞭解力等式

基本力公式應用了普遍壓力原理：

F = P × A

在哪裡？

• F = 力輸出（磅或牛顿）
• P = 空氣壓力 (PSI 或 bar)
• A = 活塞面積 (平方英寸或平方公分)

實用力計算

真實範例展示公式應用：

範例 1：標準氣缸

• 內徑：2 英寸
• 操作壓力：80 PSI
• 活塞面積: π × (2/2)² = 3.14 平方英寸
• 理論力: 80 × 3.14 = 251 磅

範例 2：大內徑氣缸

• 內徑:4 英寸  
• 操作壓力:100 PSI
• 活塞面積: π × (4/2)² = 12.57 平方英寸
• 理論力:100 × 12.57 = 1,257 磅

縮減力系數

由於系統損耗，實際作用力小於理論值：

損失係數	典型縮減	原因
密封摩擦	5-15%	活塞密封阻力
內部洩漏	2-8%	磨損的密封件
壓降	5-20%	供應限制
溫度	3-10%	空氣密度變化

伸展力與縮回力

雙作用圓筒在每個方向都有不同的力：

伸展力 (全活塞區域)

F_extend = P × A_piston

收縮力（活塞面積減桿面積）

F_retract = P × (A_piston - A_rod)

適用於 2 吋膛孔與 1 吋桿：

• 延伸力: 80 × 3.14 = 251 磅
• 縮回力: 80 × (3.14 - 0.785) = 188 磅

安全係數應用

應用安全係數進行可靠的系統設計：

保守設計

所需力 = 實際負荷 × 安全係數

典型的安全係數：

• 標準應用: 1.5-2.0
• 關鍵應用: 2.0-3.0
• 可變負載: 2.5-4.0

如何計算滾筒轉速？

滾筒速度計算可協助工程師預測循環時間，並針對特定應用最佳化系統效能。

氣缸速度等於空氣流量除以活塞面積：速度 = 流速 ÷ 活塞面積，單位為英寸/秒或英尺/分鐘。

基本速度公式

基本速度方程式與流量和面積有關：

速度 = Q ÷ A

在哪裡？

• 速度 = 滾筒速度 (英吋/秒或英呎/分)
• Q = 空氣流量（立方英寸/秒或 CFM）
• A = 活塞面積 (平方英寸)

流量換算

在常用流量單位之間轉換：

單位	換算係數	應用
CFM 至 in³/sec	CFM × 28.8	速度計算
SCFM 至 CFM	SCFM × 1.0	標準條件
L/min 轉 CFM	L/min ÷ 28.3	公制換算

速度計算範例

範例 1：標準應用

• 汽缸徑：2 英寸（3.14 平方英寸）
• 流量:5 CFM = 144 英寸³/秒
• 速度:144 ÷ 3.14 = 46 英寸/秒

範例 2：高速應用

• 汽缸徑:1.5 英寸（1.77 平方英寸）
• 流量: 8 CFM = 230 英寸³/秒  
• 速度: 230 ÷ 1.77 = 130 英寸/秒

影響速度的因素

多種變數會影響實際的汽缸轉速：

供應因素

• 壓縮機容量:可用流量
• 供應壓力:驅動力
• 生產線尺寸:流量限制
• 閥容量:流量限制

負載係數

• 負載重量:運動阻力
• 摩擦力:表面電阻
• 背壓:對立勢力
• 加速度:起始部隊

速度控制方法

工程師使用各種方法來控制汽缸速度：

流量控制閥¹

• 進電表:控制供應流量
• 電錶輸出:控制排氣流量
• 雙向:雙向控制

壓力調節

• 減壓:較低的驅動力
• 可變壓力:負載補償
• 先導控制:遙控器調整

什麼是圓柱面積公式？

準確計算活塞面積可確保氣壓缸應用的力和速度預測正確。

汽缸面積公式為 A = π × (D/2)²，其中 A 為面積 (平方英吋)，π 為 3.14159，D 為孔徑 (英吋)。

活塞面積計算

圓形活塞的標準面積公式：

A = π × r² 或 A = π × (D/2)²

在哪裡？

• A = 活塞面積 (平方英寸)
• π = 3.14159 (pi 常數)
• r = 半徑 (英吋)
• D = 直徑（英寸）

常見孔徑尺寸和面積

帶計算面積的標準油缸尺寸：

內徑	半徑	活塞面積	80 PSI 下的壓力
3/4 吋	0.375	0.44 平方英寸	35 磅
1 英吋	0.5	0.79 平方英寸	63 磅
1.5 吋	0.75	1.77 平方英寸	142 磅
2 英寸	1.0	3.14 平方英寸	251 磅
2.5 吋	1.25	4.91 平方英寸	393 磅
3 英寸	1.5	7.07 平方英寸	566 磅
4 英寸	2.0	12.57 平方英寸	1,006 磅

桿面積計算

對於雙動缸，計算淨縮回面積：

淨面積 = 活塞面積 - 活塞杆面積

常見圓棒尺寸

活塞孔徑	桿直徑	棒區	淨縮回面積
2 英寸	5/8 吋	0.31 平方英寸	2.83 平方英寸
2 英寸	1 英吋	0.79 平方英寸	2.35 平方英寸
3 英寸	1 英吋	0.79 平方英寸	6.28 平方英寸
4 英寸	1.5 吋	1.77 平方英寸	10.80 平方英寸

公制換算

轉換英制和公制度量單位：

區域換算

• 平方英寸轉平方厘米:乘以 6.45
• 平方公分轉平方英吋:乘以 0.155

直徑換算  

• 英吋轉毫米:乘以 25.4
• 毫米轉英吋:乘以 0.0394

特殊區域計算

非標準油缸設計需要修改計算：

橢圓圓柱

A = π × a × b (其中 a 和 b 為半軸)

方形圓筒

A = L × W (長度乘以寬度)

矩形圓柱

A = L × W (長度乘以寬度)

如何計算空氣消耗量？

耗氣量計算有助於釐定壓縮機的尺寸和估算氣缸系統的運行成本。

耗氣量等於活塞面積乘以行程長度乘以每分鐘的循環數：消耗量 = A × L × N，單位為立方英尺/分鐘 (CFM)。

基本消費公式

基本空氣消耗方程式：

Q = A × L × N ÷ 1728

在哪裡？

• Q = 耗氣量 (CFM)
• A = 活塞面積 (平方英寸)
• L = 行程長度（英吋）
• N = 每分鐘循環數
• 1728 = 轉換係數（立方英寸轉立方英尺）

消耗量計算範例

範例 1：組裝應用

• 滾筒：2 英寸內徑，6 英寸衝程
• 週期速率:30 循環/分鐘
• 活塞面積:3.14 平方英寸
• 消耗量:3.14 × 6 × 30 ÷ 1728 = 0.33 cfm

範例 2：高速應用

• 滾筒:1.5 吋缸徑、4 吋衝程
• 週期速率:120 循環/分鐘
• 活塞面積:1.77 平方英寸
• 消耗量:1.77 × 4 × 120 ÷ 1728 = 0.49 cfm

雙作用消耗量

雙作用氣缸在兩個方向上消耗空氣：

總消耗量 = 擴展消耗量 + 收回消耗量

延長消耗量

Q_extend = A_piston × L × N ÷ 1728

縮回消耗量  

Q_retract = (A_piston - A_rod) × L × N ÷ 1728

系統消耗因素

多種因素會影響總空氣消耗量：

因子	影響	考慮因素
洩漏	+10-30%	系統維護
壓力等級	可變	更高的壓力 = 更多的消耗
溫度	±5-15%	影響空氣密度
工作週期	可變	間歇式與連續式

壓縮機選型指南

根據系統的總需求量來確定壓縮機的大小：

尺寸公式

所需容量 = 總消耗量 × 安全系數

安全因素：

• 連續操作: 1.25-1.5
• 間歇性操作: 1.5-2.0
• 未來擴展: 2.0-3.0

我最近幫助加拿大一家汽車廠的工廠工程師 Patricia 優化了他們的空氣消耗量。她的 20 無桿氣缸² 該機的耗氣量為 45 CFM，但由於維護不善，實際耗氣量增至 65 CFM。在修補洩漏和更換磨損的密封件後，消耗量降至 48 CFM，每年可節省 $3,000 的能源成本。

什麼是進階圓柱配方？

先進的公式可協助工程師針對需要精確計算的複雜應用，最佳化汽缸性能。

先進的氣缸公式包括加速力、動能、功率需求和高性能氣動系統的動態負載計算。

加速度力公式

計算加速負載所需的力：

F_accel = (W × a) ÷ g

在哪裡？

• F_accel = 加速度力（磅）
• W = 負載重量（磅）
• a = 加速度 (ft/sec²)
• g = 重力常數 (32.2 ft/sec²)

動能計算

確定移動負載的能量需求：

KE = ½ × m × v²³

在哪裡？

• KE = 動能 (ft-lbs)
• m = 質量（蛞蝓）
• v = 速度（英尺/秒）

電源需求

計算汽缸運轉所需的功率：

功率 = (F × v) ÷ 550

在哪裡？

• 電源 = 馬力
• F = 力 (磅)
• v = 速度（英尺/秒）
• 550 = 換算係數

動態負載分析

複雜的應用需要動態負載計算：

總負載公式

F_total = F_static + F_friction + F_acceleration + F_pressure

元件明細

• F_static:恆定負載重量
• F_friction:表面電阻
• 加速度:起始部隊
• F_ 壓力:背壓效應

緩衝計算

計算平滑停止的緩衝需求：

緩衝力 = KE ÷ 緩衝距離

這可防止震動負荷，並延長汽缸壽命。

溫度補償

根據溫度變化調整計算：

修正壓力 = 實際壓力 × (T_standard ÷ T_actual)

溫度在 絕對單位（朗肯或開爾文）⁴.

總結

氣缸公式提供了氣動系統設計的基本工具。基本的 F = P × A 公式，結合速度和消耗量的計算，可確保適當的元件尺寸和最佳的性能。

關於圓柱配方的常見問題

1. 探索流量控制閥如何調節執行器的速度，並了解計入和計出電路的差異。 ↩

2. 探索無活塞杆油缸的設計與優勢，在緊湊的空間中提供長行程能力。 ↩

3. 了解動能的概念、物體因運動而擁有的能量及其計算。 ↩

4. 了解絕對溫度標度，例如開爾文 (Kelvin) 和蘭肯 (Rankine) ，以及為什麼它們對於科學和工程計算非常重要。 ↩